DE102016120574A1 - System and method for determining the moisture content of a swellable membrane - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein System (60) zum Ermitteln einer Membranfeuchte mit einer quellfähigen Membran (14, 43), die eine erste Hauptoberfläche (65) und eine der ersten Hauptoberfläche (65) gegenüberliegende zweite Hauptoberfläche (66) aufweist. Über der ersten Hauptoberfläche (65) ist ein Kraftsensor (61) angeordnet, über dem Kraftsensor (61) ist ein erstes Spannelement (62) angeordnet und über der zweiten Hauptoberfläche (66) ist ein zweites Spannelement (63) angeordnet. Erfindungsgemäß sind das erste Spannelement (62) und das zweite Spannelement (63) dafür eingerichtet, die Membran (14, 43) und den Kraftsensor in der Normalenrichtungen der Hauptoberflächen (65, 66) einzuspannen. Somit wird ein Aufquellen der Membran (14, 43) durch die Spannelemente (62, 63) verhindert, so dass die Aufnahme von Feuchtigkeit durch die Membran zum Ansteigen eines Quelldrucks der Membran (14, 43) führt, der mittels des Kraftsensors (61) als Druckkraft erfasst wird. Anhand der erfassten Druckkraft kann somit auf den Feuchtegehalt der Membran (14, 43) und von diesem auf die relative Feuchte eines die Membran (14, 43) umgebenden Betriebsmittels geschlossen werden. Das erfindungsgemäße System (60) ist bevorzugt in einem Brennstoffzellensystem (100) angeordnet und bei der quellfähigen Membran handelt es sich besonders bevorzugt um eine Polymerelektrolytmembran (14) einer Brennstoffzelle (11), um die Befeuchtermembran (43) eines Befeuchters (40) oder um eine zu diesen Membranen ähnliche oder identische und zusätzlich in das Brennstoffzellensystem (100) eingebrachte Membran.The invention relates to a system (60) for determining a membrane moisture with a swellable membrane (14, 43) which has a first main surface (65) and a second main surface (66) opposite the first main surface (65). A force sensor (61) is arranged above the first main surface (65), a first clamping element (62) is arranged above the force sensor (61), and a second clamping element (63) is arranged above the second main surface (66). According to the invention, the first clamping element (62) and the second clamping element (63) are arranged to clamp the membrane (14, 43) and the force sensor in the normal directions of the main surfaces (65, 66). Thus, swelling of the membrane (14, 43) is prevented by the clamping elements (62, 63), so that the absorption of moisture through the membrane leads to an increase of a swelling pressure of the membrane (14, 43), which by means of the force sensor (61) is detected as a compressive force. On the basis of the detected pressure force can thus on the moisture content of the membrane (14, 43) and from this on the relative humidity of the membrane (14, 43) surrounding the equipment are closed. The system (60) according to the invention is preferably arranged in a fuel cell system (100) and the swellable membrane is particularly preferably a polymer electrolyte membrane (14) of a fuel cell (11), the humidifier membrane (43) of a humidifier (40) or a membrane similar or identical to these membranes and additionally incorporated into the fuel cell system (100).

Description

Die Erfindung betrifft ein System zum Bestimmen des Feuchtegehalts einer quellfähigen Membran sowie ein Brennstoffzellensystem mit einem solchen System. Ferner betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Ermitteln des Feuchtegehalts einer quellfähigen Membran sowie ein Verfahren zum Ermitteln des Feuchtegehalts eines Betriebsmittels eines Brennstoffzellensystems.The invention relates to a system for determining the moisture content of a swellable membrane and a fuel cell system with such a system. Furthermore, the present invention relates to a method for determining the moisture content of a swellable membrane and a method for determining the moisture content of a resource of a fuel cell system.

Brennstoffzellen nutzen die chemische Umsetzung eines Brennstoffs mit Sauerstoff zu Wasser zum Erzeugen elektrischer Energie. Hierfür weisen Brennstoffzellen als Kernkomponente eine Membran-Elektroden-Anordnung (MEA - membrane electrode assembly) mit einer Membran-Elektroden-Einheit auf. Letztere wird durch eine protonenleitende Membran gebildet, an der beidseitig katalytische Elektroden angeordnet sind. Dabei trennt die Membran den der Anode zugeordneten Anodenraum und den der Kathode zugeordneten Kathodenraum gasdicht voneinander und isoliert diese elektrisch. Auf den nicht der Membran zugewandten Seiten der Elektroden können zudem Gasdiffusionslagen angeordnet sein.Fuel cells use the chemical conversion of a fuel with oxygen to water to generate electrical energy. For this purpose, fuel cells as a core component to a membrane-electrode assembly (MEA - membrane electrode assembly) with a membrane electrode assembly. The latter is formed by a proton-conducting membrane, on both sides of which catalytic electrodes are arranged. In this case, the membrane separates the anode chamber associated with the anode and the cathode chamber associated with the cathode gas-tight from each other and electrically isolated. In addition, gas diffusion layers can be arranged on the non-membrane-facing sides of the electrodes.

Im Betrieb der Brennstoffzelle wird ein wasserstoffhaltiges Anodenbetriebsmedium der Anode zugeführt, wo eine elektrochemische Oxidation von H2 zu H+ unter Abgabe von Elektronen erfolgt. Über die elektrolytische Membran erfolgt ein wassergebundener oder wasserfreier Transport der Protonen H+ aus dem Anodenraum in den Kathodenraum. Die an der Anode bereitgestellten Elektronen werden über eine elektrische Leitung der Kathode zugeleitet. Der Kathode wird ein sauerstoffhaltiges Betriebsmedium zugeführt, sodass dort eine Reduktion von O2 zu O2 - unter Aufnahme der Elektronen erfolgt. Diese Sauerstoffanionen reagieren im Kathodenraum mit den über die Membran transportierten Protonen unter Bildung von Wasser.During operation of the fuel cell, a hydrogen-containing anode operating medium is supplied to the anode, where an electrochemical oxidation of H 2 to H + occurs with the emission of electrons. Via the electrolytic membrane, a water-bound or water-free transport of the protons H + from the anode space into the cathode space takes place. The electrons provided at the anode are supplied to the cathode via an electrical line. The cathode is supplied with an oxygen-containing operating medium, so that there is a reduction of O 2 to O 2 - taking the electrons. These oxygen anions react in the cathode compartment with the protons transported across the membrane to form water.

Eine Brennstoffzelle ist in der Regel durch eine Vielzahl in einem Brennstoffzellenstapel (stack) angeordneter MEA gebildet, deren elektrische Leistungen sich addieren. Zwischen den Membran-Elektroden-Anordnungen sind üblicherweise Bipolarplatten angeordnet, die eine Versorgung der einzelnen MEA mit den Reaktanten und einer Kühlflüssigkeit sicherstellen sowie als elektrisch leitfähiger Kontakt zu den Membran-Elektroden-Anordnungen fungieren. An beiden Enden des Brennstoffzellenstapels sind Abschlussplatten oder Monopolarplatten angeordnet, um ihn zusammenzuhalten und die Stapelkomponenten zusammenzupressen. Der Pressdruck trägt zur Abdichtung des Stapels bei und stellt einen adäquaten elektrischen Kontakt zwischen den Stapelkomponenten sicher.As a rule, a fuel cell is formed by a multiplicity of MEAs arranged in a fuel cell stack (stack), the electrical powers of which accumulate. Bipolar plates are usually arranged between the membrane-electrode assemblies, which ensure a supply of the individual MEA with the reactants and a cooling liquid and act as an electrically conductive contact to the membrane-electrode assemblies. At both ends of the fuel cell stack, end plates or monopolar plates are arranged to hold it together and compress the stack components. The pressing pressure contributes to the sealing of the stack and ensures adequate electrical contact between the stack components.

Den Kathodenelektroden wird über ein kathodenseitig offenes Flussfeld der Bipolarplatten, ein sogenanntes Kathodenbetriebsmedium, insbesondere Sauerstoff (O2) oder ein sauerstoffhaltiges Gasgemisch, zum Beispiel Luft, zugeführt, sodass eine Reduktion von O2 zu O2- unter einer Aufnahme von Elektronen stattfindet (1/2O2 + 2e- → O2-). Gleichzeitig reagieren an den Kathodenelektroden gebildete Sauerstoffanionen (O2-) mit den durch die Membranen beziehungsweise Elektrolyten hindurch transportierten Protonen unter einer Bildung von Wasser (2H+ + O2- → H2O).The cathode electrodes are supplied via a cathode field open flow field of the bipolar plates, a so-called cathode operating medium, in particular oxygen (O 2 ) or an oxygen-containing gas mixture, for example air, so that a reduction of O 2 to O 2- takes place under a recording of electrons (1 / 2O 2 + 2e - → O 2- ). At the same time, oxygen anions (O 2- ) formed on the cathode electrodes react with the protons transported through the membranes or electrolytes to form water (2H + + O 2- > H 2 O).

Die Versorgung der Brennstoffzellen mit ihren Betriebsmedien (Betriebsmitteln), also dem Anodenbetriebsgas (zum Beispiel Wasserstoff), dem Kathodenbetriebsgas (zum Beispiel Luft) und dem Kühlmittel, erfolgt über Hauptversorgungskanäle, die einen Brennstoffzellenstapel in seiner gesamten Stapelrichtung durchsetzen und von denen die Betriebsmedien über die Flussfelder der Bipolarplatten den Einzelzellen zugeführt werden. Für jedes Betriebsmedium sind mindestens zwei solcher Hauptversorgungskanäle vorhanden; einer zum Zuführen und einer zum Abführen des jeweiligen Betriebsmediums. Jede Membran-Elektroden-Anordnung und jede Bipolarplatte weist Betriebsmitteldurchgangsöffnungen zum Ausbilden der Hauptversorgungskanäle auf.The supply of fuel cells with their operating media (resources), ie the anode operating gas (for example hydrogen), the cathode operating gas (for example air) and the coolant, via main supply channels that enforce a fuel cell stack in its entire stacking direction and of which the operating media on the Flow fields of the bipolar plates are supplied to the individual cells. For each operating medium there are at least two such main supply channels; one for feeding and one for discharging the respective operating medium. Each membrane-electrode assembly and each bipolar plate has agent through-holes for forming the main supply channels.

Um den Brennstoffzellenstapel mit den Betriebsmedien zu versorgen, weist dieser eine Anodenversorgung und eine Kathodenversorgung auf. Die Anodenversorgung weist einen Anodenversorgungspfad für ein Zuführen des Anodenbetriebsmediums zu einem Anodeneinlasskanal und einen Anodenabgaspfad für ein Abführen eines Anodenabgases aus einem Anodenablasskanal auf. Analog weist die Kathodenversorgung einen Kathodenversorgungspfad für ein Zuführen des Kathodenbetriebsmediums zu einem Kathodeneinlasskanal und einen Kathodenabgaspfad für ein Abführen eines Kathodenabgases aus einem Kathodenablasskanal auf. Die Ein- und Auslasskanäle des Brennstoffzellenstapels gehen in die entsprechenden Hauptversorgungskanäle über oder sind ein Teil von diesen.In order to supply the fuel cell stack with the operating media, this has an anode supply and a cathode supply. The anode supply has an anode supply path for supplying the anode operating medium to an anode inlet channel and an anode exhaust path for discharging an anode exhaust gas from an anode exhaust channel. Similarly, the cathode supply includes a cathode supply path for supplying the cathode operating medium to a cathode inlet channel and a cathode exhaust path for discharging a cathode exhaust gas from a cathode exhaust channel. The inlet and outlet channels of the fuel cell stack pass into or are part of the corresponding main supply channels.

Brennstoffzellensysteme weisen ferner zumindest einen Befeuchter zum Befeuchten des trockenen Kathodenbetriebsmediums (Zuluft) auf, mittels dem Feuchtigkeit aus dem Kathodenabgas (Abluft) an das Kathodenbetriebsmedium übertragen wird. Das Befeuchten ist notwendig, um eine hohe Leistungsdichte und Lebensdauer der Brennstoffzellen zu gewährleisten. Insbesondere die Polymerelektrolytmembranen müssen einen bestimmten Feuchtigkeitsgehalt aufweisen, um eine ausreichende lonenleitfähigkeit zu gewährleisten. Gleichzeitig ist ein zu hoher Feuchtigkeitsgehalt des Betriebsmediums jedoch ebenfalls nachteilig. Insbesondere Ansammlungen von Flüssigwasser können zu Blockaden der Betriebsmittelversorgung und somit zu einem Absinken der Leistungsdichte führen.Fuel cell systems further include at least one humidifier for wetting the dry cathode operating medium (supply air), by means of which moisture is transferred from the cathode exhaust gas (exhaust air) to the cathode operating medium. Humidification is necessary to ensure a high power density and lifetime of the fuel cells. In particular, the polymer electrolyte membranes must have a certain moisture content to ensure sufficient ion conductivity. At the same time too high a moisture content of the operating medium is also disadvantageous. In particular, accumulations of liquid water can cause blockages Resource supply and thus lead to a decrease in power density.

Während des Betriebs des Brennstoffzellenstapels ist es ferner notwendig, die Stöchiometrie des zugeführten Anoden- und Kathodenbetriebsmediums entsprechend einer aktuellen Leistungsanfrage möglichst gezielt einstellen zu können. Die als Kathodenbetriebsmedium eingesetzte Luft enthält neben den Hauptkomponenten Sauerstoff, Stickstoff und Argon spätestens nach dem Durchströmen des Befeuchters auch einen signifikanten Anteil von Wasser in flüssiger und gasförmiger Form. Die Menge des in der Luft enthaltenen Wassers, mit anderen Worten die Feuchtigkeit des Kathodenbetriebsmediums, muss daher bekannt sein, um die Stöchiometrie des Brennstoffzellenstapels mit hoher Genauigkeit steuern zu können.During operation of the fuel cell stack, it is also necessary to be able to set the stoichiometry of the supplied anode and cathode operating medium according to a current power request as targeted as possible. The air used as cathode operating medium contains, in addition to the main components oxygen, nitrogen and argon, at the latest after the passage through the humidifier, a significant proportion of water in liquid and gaseous form. The amount of water contained in the air, in other words the humidity of the cathode operating medium, must therefore be known in order to control the stoichiometry of the fuel cell stack with high accuracy.

Es ist daher notwendig den Feuchtigkeitsgehalt der dem Brennstoffzellenstapel zugeführten Zuluft zu überwachen und zu steuern. Gemäß dem Stand der Technik werden dezidierte Feuchtigkeitssensoren eingesetzt, um den Wassergehalt beziehungsweise die Feuchtigkeit des Kathodenbetriebsmediums zu bestimmen. Dies erhöht jedoch den Stromverbrauch, die Komplexität und den Bauraumbedarf der Brennstoffzellensysteme und wirkt sich somit nachteilig auf deren Effektivität aus. Ebenfalls bekannt sind Berechnungsmodelle, mittels denen anhand verschiedener Parameter des Brennstoffzellensystems auf den Feuchtegehalt eines Betriebsmediums geschlossen werden kann. Während der Entwicklung von Brennstoffzellen spielt zudem die gravimetrische Bestimmung der Membranfeuchte eine Rolle, die jedoch während des Betriebs eines Brennstoffzellensystems nicht möglich ist.It is therefore necessary to monitor and control the moisture content of the supply air supplied to the fuel cell stack. In the prior art, dedicated humidity sensors are used to determine the water content or humidity of the cathode operating medium. However, this increases the power consumption, the complexity and the space requirement of the fuel cell systems and thus adversely affects their effectiveness. Also known are calculation models by means of which the moisture content of an operating medium can be deduced based on various parameters of the fuel cell system. During the development of fuel cells, the gravimetric determination of the membrane moisture also plays a role, which is not possible during the operation of a fuel cell system.

Aus der DE 39 11 812 A1 ist bekannt, eine Polymerschicht als Feuchtigkeitssensor einzusetzen. Dabei wird ausgenutzt, dass eine sulfonierte Polymerschicht in Abhängigkeit einer Umgebungsfeuchte Wassermoleküle in ihr Gefüge einbaut. Insbesondere wird dabei Wasser an Sulfongruppen der Polymerschicht angelagert. Dadurch variiert die Polarisierbarkeit des Polymers, wodurch ein solcher Sensor kapazitiv oder resistiv betrieben werden kann.From the DE 39 11 812 A1 It is known to use a polymer layer as a moisture sensor. It exploits the fact that a sulfonated polymer layer incorporates water molecules into its microstructure as a function of ambient humidity. In particular, water is attached to sulfone groups of the polymer layer. As a result, the polarizability of the polymer varies, as a result of which such a sensor can be operated capacitively or resistively.

Gemäß einem in der DE 102013021627 A1 offenbarten Verfahren wird ausgenutzt, dass eine Polymermembran in Abhängigkeit ihrer Feuchte anschwillt und umso weniger Gasdiffusion durch die Membran erfolgt, je stärker sie angeschwollen ist. Somit kann von der Zeit in der sich eine Druckdifferenz zwischen Anode und Kathode über die Membran abbaut auf deren Feuchtigkeitsgehalt geschlossen werden. Nachteilig tragen dabei Undichtigkeiten im gesamten Brennstoffzellensystem zum Druckabbau bei, was die Genauigkeit des Verfahrens verringert.According to one in the DE 102013021627 A1 disclosed method is exploited that a polymer membrane swells depending on their humidity and the less gas diffusion through the membrane, the more it is swollen. Thus, from the time in which a pressure difference between the anode and cathode on the membrane degrades on the moisture content can be concluded. Disadvantages thereby contribute to the pressure reduction in the entire fuel cell system, which reduces the accuracy of the process.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine alternative Lösung zum Ermitteln des Feuchtegehalts einer Membran sowie eines Betriebsmittels eines Brennstoffzellensystems zur Verfügung zu stellen, welche die Nachteile des Standes der Technik überwindet.The invention is based on the object of providing an alternative solution for determining the moisture content of a membrane as well as a resource of a fuel cell system which overcomes the disadvantages of the prior art.

Die erfindungsgemäße Aufgabe wird gelöst durch ein System zum Ermitteln einer Membranfeuchte gemäß dem Hauptanspruch. Bevorzugte Weiterbildungen sind Gegenstand der rückbezogenen Unteransprüche. Die Aufgabe wird ferner gelöst durch ein Brennstoffzellensystem mit einem erfindungsgemäßen System zum Ermitteln einer Membranfeuchte, durch ein Verfahren zum Ermitteln des Feuchtegehalts einer quellfähigen Membran und durch ein Verfahren zum Ermitteln des Feuchtegehalts des Betriebsmittels eines Brennstoffzellensystem gemäß den jeweils unabhängigen Patentansprüchen.The object of the invention is achieved by a system for determining a membrane moisture according to the main claim. Preferred developments are the subject of the dependent claims. The object is further achieved by a fuel cell system having a system according to the invention for determining a membrane moisture, by a method for determining the moisture content of a swellable membrane and by a method for determining the moisture content of the equipment of a fuel cell system according to the respective independent patent claims.

Ein erster Aspekt der Erfindung bezieht sich auf ein System zum Ermitteln einer Membranfeuchte, aufweisend eine quellfähige Membran mit einer ersten Hauptoberfläche und einer der ersten Hauptoberfläche gegenüberliegenden zweiten Hauptoberfläche. Die Membran ist insbesondere flächig ausgedehnt und trennt einen an die erste Hauptoberfläche grenzenden ersten Raumbereich von einem an die zweite Hauptoberfläche grenzenden zweiten Raumbereich. Quellfähig bezeichnet hierin, dass sich die Membran durch Aufnahme von Feuchtigkeit, insbesondere Wasser, ausdehnen und ihr Volumen vergrößern kann. Erfindungsgemäß ist über der ersten Hauptoberfläche ein Kraftsensor angeordnet. Der Kraftsensor ist dabei so ausgebildet und so über der ersten Hauptoberfläche der Membran angeordnet, dass er eine von der Membran ausgeübte Kraft, beispielsweise Druckkraft, erfassen kann.A first aspect of the invention relates to a system for determining a membrane moisture comprising a swellable membrane having a first major surface and a second major surface opposite the first major surface. In particular, the membrane is extended over a wide area and separates a first spatial area adjoining the first main surface from a second spatial area adjoining the second main surface. Swellable herein means that the membrane can expand and increase in volume by absorbing moisture, especially water. According to the invention, a force sensor is arranged above the first main surface. In this case, the force sensor is designed and arranged above the first main surface of the membrane such that it can detect a force exerted by the membrane, for example compressive force.

Das erfindungsgemäße System weist ferner ein erstes und ein zweites Spannelement auf, wobei das erste Spannelement über dem Kraftsensor angeordnet ist und wobei das zweite Spannelement über der zweiten Hauptoberfläche der Membran angeordnet ist. Der Kraftsensor ist somit zwischen dem ersten Spannelement und der ersten Hauptoberfläche der Membran angeordnet. Das erste Spannelement und das zweite Spannelement sind erfindungsgemäß dafür eingerichtet, die Membran und den Kraftsensor in Normalenrichtung der Hauptoberflächen einzuspannen. Mittels des Einspannens wird verhindert, dass sich ein Volumen der Membran aufgrund von Wassereinlagerung vergrößert. Somit baut sich bei Einlagerung von Wasser in die Membran ein Quelldruck auf, der mittels des Kraftsensors als Druckkraft erfassbar ist.The system according to the invention further comprises a first and a second clamping element, wherein the first clamping element is arranged above the force sensor and wherein the second clamping element is arranged over the second main surface of the membrane. The force sensor is thus arranged between the first clamping element and the first main surface of the membrane. The first clamping element and the second clamping element are inventively configured to clamp the membrane and the force sensor in the normal direction of the main surfaces. Clamping prevents a volume of the membrane from increasing due to water retention. Thus, when water is incorporated into the membrane, a swelling pressure builds up, which can be detected by means of the force sensor as a compressive force.

Das erste Spannelement ist dafür eingerichtet eine der Normalenrichtung der ersten Hauptoberfläche entgegen gerichtete Zwangskraft zu erzeugen, welche einer Translation des Kraftsensors in Normalenrichtung der ersten Hauptoberfläche entgegen wirkt. Bevorzugt ist das erste Spannelement dafür eingerichtet, eine Translation des Kraftsensors in Normalenrichtung der ersten Hauptoberfläche vollständig zu verhindern. Das zweite Spannelement ist dafür eingerichtet, eine der Normalenrichtung der zweiten Hauptoberfläche entgegen gerichtete Zwangskraft zu erzeugen, welche einer Ausdehnung der Membran in Normalenrichtung der zweiten Hauptoberfläche entgegen wirkt. Bevorzugt ist das zweite Spannelement dafür eingerichtet, eine Ausdehnung der Membran in eine Normalenrichtung der zweiten Hauptoberfläche vollständig zu verhindern. Die Normalenrichtungen stehen dabei senkrecht auf der jeweiligen Hauptoberfläche und die erste und zweite Normalenrichtung sind antiparallel.The first tensioning element is arranged for one of the normal direction of the first Main surface opposing force to produce, which counteracts a translation of the force sensor in the normal direction of the first main surface. Preferably, the first clamping element is adapted to completely prevent translation of the force sensor in the normal direction of the first main surface. The second tensioning element is configured to generate a forcing force directed counter to the normal direction of the second main surface, which counteracts expansion of the diaphragm in the normal direction of the second main surface. Preferably, the second clamping element is adapted to completely prevent expansion of the membrane in a normal direction of the second main surface. The normal directions are perpendicular to the respective main surface and the first and second normal direction are anti-parallel.

In dem erfindungsgemäßen System ist die Membran durch das erste Spannelement, das zweite Spannelement und den Kraftsensor derart eingespannt, dass ein Quellen der Membran zumindest im Wesentlichen verhindert wird. Nimmt die Membran dennoch Wasser auf, so führt dies zum Entstehen eines Quelldrucks. Dieser Quelldruck wirkt gegen den zwischen der Membran und dem ersten Spannelement angeordneten Kraftsensor sowie gegen das zweite Spannelement. Der Quelldruck erzeugt eine auf eine Fläche eines aktiven Elements des Kraftsensors (aktive Fläche) wirkende und mittels des Kraftsensors erfassbare Quellkraft. Es hat sich gezeigt, dass der Quelldruck (bei fester aktiver Fläche des Sensors auch die Quellkraft) proportional zu der von der Membran aufgenommenen Feuchtigkeitsmenge ist. Die Reproduzierbarkeit dieser Abhängigkeit wird gewährleistet, indem die Spannelemente ein Ausweichen der eingespannten Membran und eine Translation des Kraftsensors unterbinden. Somit ermöglicht das erfindungsgemäße System das Ermitteln einer Membranfeuchte anhand der erfassten Quellkraft bzw. des Quelldrucks einer eingespannten quellfähigen Membran.In the system according to the invention, the membrane is clamped by the first clamping element, the second clamping element and the force sensor in such a way that at least substantially prevents swelling of the membrane. If the membrane still absorbs water, this leads to the formation of a swelling pressure. This swelling pressure acts against the force sensor arranged between the membrane and the first clamping element and against the second clamping element. The swelling pressure generates a swelling force acting on a surface of an active element of the force sensor (active surface) and detectable by means of the force sensor. It has been shown that the swelling pressure (with the active surface of the sensor also the swelling force) is proportional to the amount of moisture absorbed by the membrane. The reproducibility of this dependence is ensured by the clamping elements prevent deflection of the clamped membrane and a translation of the force sensor. Thus, the system according to the invention enables the determination of a membrane moisture based on the detected swelling force or the swelling pressure of a clamped swellable membrane.

Bevorzugt weist das erste Spannelement eine erste Anpressfläche auf, die unmittelbar an dem Kraftsensor anliegt und weist das zweite Spannelement eine zweite Anpressfläche auf, die unmittelbar an der zweiten Hauptoberfläche der Membran anliegt. Der Kraftsensor liegt bevorzugt an der ersten Hauptoberfläche der Membran an. Ebenfalls bevorzugt ist die erste Anpressfläche planparallel zu der zweiten Anpressfläche. Alternativ können zusätzlich Lagen oder Schichten, insbesondere starre und inkompressible Lagen oder Schichten, zwischen den Anpressflächen und der zweiten Hauptoberfläche der Membran und/oder dem Kraftsensor angeordnet sein. Ebenfalls bevorzugt ist zwischen dem zweiten Spannelement und der zweiten Hauptoberfläche der Membran ein zweiter Kraftsensor angeordnet.The first clamping element preferably has a first contact surface, which bears directly against the force sensor, and the second clamping element has a second contact surface, which bears directly against the second main surface of the membrane. The force sensor is preferably applied to the first main surface of the membrane. Also preferably, the first contact surface is plane-parallel to the second contact surface. Alternatively, additional layers or layers, in particular rigid and incompressible layers or layers, may be arranged between the contact surfaces and the second main surface of the membrane and / or the force sensor. Also preferably, a second force sensor is arranged between the second clamping element and the second main surface of the membrane.

In einer ferner bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Systems weisen das erste Spannelement und das zweite Spannelement in Normalenrichtung der Hauptoberflächen einen Abstand auf, welcher der Summe der Ausdehnungen der trockenen Membran und des Kraftsensors in Normalenrichtung der Hauptoberflächen zumindest im Wesentlichen entspricht. Somit ist der Kraftsensor bei trockener Membran weitgehend druck- bzw. kraftfrei. Dies ermöglicht ein exaktes Eichen des erfindungsgemäßen Systems. Ebenfalls bevorzugt kann der Abstand des ersten Spannelements und des zweiten Spannelements in Normalenrichtung der Hauptoberflächen geringfügig kleiner sein, als die Summe der Ausdehnungen der trockenen Membran und des Kraftsensors in Normalenrichtung der Hauptoberflächen. Somit sind die Membran und der Kraftsensor stets sicher eingespannt und ein lateraler Versatz des Kraftsensors kann vermieden werden. Gemäß dieser Ausführungsform ist aufgrund der Vorspannung ein geringer Bias von jeder mit dem Kraftsensor erfassten Kraft abzuziehen.In a further preferred embodiment of the system according to the invention, the first clamping element and the second clamping element in the normal direction of the main surfaces at a distance corresponding to the sum of the dimensions of the dry membrane and the force sensor in the normal direction of the main surfaces at least substantially. Thus, the force sensor with a dry membrane is largely free of pressure or force. This allows a precise oak of the system according to the invention. Also preferably, the distance of the first clamping element and the second clamping element in the normal direction of the main surfaces may be slightly smaller than the sum of the dimensions of the dry membrane and the force sensor in the normal direction of the main surfaces. Thus, the membrane and the force sensor are always securely clamped and a lateral offset of the force sensor can be avoided. According to this embodiment, due to the bias voltage, a small bias is subtracted from each force detected by the force sensor.

Besonders bevorzugt sind das erste Spannelement und das zweite Spannelement über einen Abstandshalter miteinander verbunden und weisen einen festen Abstand in Normalenrichtung der Hauptoberflächen zueinander auf. Vorteilhaft werden gemäß dieser Ausführungsform Druckschwankungen zwischen dem ersten und dem zweiten Spannelement, die nicht auf ein Quellen der Membran zurückzuführen sind, zumindest weitgehend unterbunden. In einer beispielhaften Ausführungsform bilden die Spannelemente und der Abstandshalter gemeinsam eine Federklemme. Dabei weisen die Spannelemente in einer Neutrallage der Federklemme einen Abstand auf, welcher der Summe der Ausdehnungen von Membran und Kraftsensor in Normalenrichtung im Wesentlichen entspricht. Alternativ sind die Spannelemente und der Abstandshalter lösbar miteinander verbunden, beispielsweise über eine Gewindestange mit Mini- oder Nanogewinde, und/oder ist der Abstand zwischen den Spannelementen einstellbar.Particularly preferably, the first clamping element and the second clamping element are connected to one another via a spacer and have a fixed distance in the normal direction of the main surfaces to each other. Advantageously, according to this embodiment, pressure fluctuations between the first and the second clamping element, which are not due to a swelling of the membrane, at least largely prevented. In an exemplary embodiment, the tension members and the spacer together form a spring clip. In this case, the clamping elements in a neutral position of the spring clip on a distance which corresponds to the sum of the dimensions of the membrane and force sensor in the normal direction substantially. Alternatively, the clamping elements and the spacer are releasably connected to each other, for example via a threaded rod with mini or nano-thread, and / or the distance between the clamping elements is adjustable.

In einer alternativ bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Systems ist über der ersten Hauptoberfläche ein erstes Plattenelement, besonders bevorzug eine erste Bipolarplatte, angeordnet und ist über der zweiten Hauptoberfläche ein zweites Plattenelement, besonders bevorzugt eine zweite Bipolarplatte, angeordnet. Besonders bevorzugt ist dabei das erste Spannelement als Teil des ersten Plattenelements, insbesondere der ersten Bipolarplatte, ausgebildet und ist das zweite Spannelement als Teil des zweiten Plattenelements, insbesondere der zweiten Bipolarplatte, ausgebildet. Bevorzugt weist das erste Spannelement dabei eine Anpressfläche auf, die an dem Kraftsensor anliegt und weist das zweite Spannelement eine zweite Anpressfläche auf, die an der zweiten Hauptoberfläche der Membran anliegt. Die Anpressflächen sind bevorzugt getrennt von anderen Funktionsbereichen des Plattenelements ausgebildet. Im Beispiel der Bipolarplatte sind die Anpressflächen beispielsweise getrennt von den Flussfeldern ausgebildet. Die Anpressflächen sind bevorzugt als gegenüberliegende, flächengleiche und ebene Flächen der Bipolarplatten ausgebildet. Neben den Bipolarplatten kann es sich bei den Plattenelementen auch um in einem Befeuchter angeordnete Bipolarplatten handeln, welche zum Einspannen zumindest einer Befeuchtermembran ausgebildet sind.In an alternative preferred embodiment of the system according to the invention, a first plate element, particularly preferably a first bipolar plate, is arranged above the first main surface and a second plate element, more preferably a second bipolar plate, is arranged above the second main surface. In this case, the first clamping element is particularly preferably designed as part of the first plate element, in particular of the first bipolar plate, and the second clamping element is formed as part of the second plate element, in particular of the second bipolar plate. In this case, the first clamping element preferably has a contact surface, which bears against the force sensor, and the second clamping element has a second contact surface, which bears against the second main surface of the membrane. The contact surfaces are preferably formed separately from other functional areas of the plate element. In the example of the bipolar plate, the contact surfaces are for example formed separately from the flow fields. The contact surfaces are preferably formed as opposed, coextensive and flat surfaces of the bipolar plates. In addition to the bipolar plates, the plate elements may also be bipolar plates arranged in a humidifier, which are designed for clamping at least one humidifier membrane.

Besonders bevorzugt weisen die Plattenelemente innenliegenden Durchgangsöffnungen auf, wobei die Durchgangsöffnungen zweier übereinander angeordneter Plattenelemente so fluchten, dass ein Versorgungskanal ausgebildet ist. Im Beispiel einer Bipolarplatte handelt es sich dabei insbesondere um Betriebsmitteldurchgangsöffnungen beziehungsweise Hauptversorgungskanäle, wie einleitend beschrieben. Gemäß der vorliegenden Erfindung sind die Spannelemente beziehungsweise deren Anpressflächen nahe einer Durchgangsöffnung beziehungsweise Betriebsmitteldurchgangsöffnung des jeweiligen Plattenelements angeordnet. Ebenfalls bevorzugt steht die Membran in einer Richtung senkrecht zu den Normalenrichtungen der Hauptoberflächen über einen Randbereich der Durchgangsöffnung über. Mit anderen Worten ragt die Membran in einen Versorgungskanal hinein. Somit kann mit dem erfindungsgemäßen System der Feuchtigkeitsgehalt in dem Versorgungskanal gemessen werden.Particularly preferably, the plate elements on the inside through openings, wherein the passage openings of two superposed plate elements are aligned so that a supply channel is formed. In the example of a bipolar plate, these are in particular equipment through-openings or main supply channels, as described in the introduction. According to the present invention, the clamping elements or their contact surfaces are arranged near a passage opening or operating medium passage opening of the respective plate element. Also preferably, the membrane projects in a direction perpendicular to the normal directions of the main surfaces over an edge region of the passage opening. In other words, the membrane protrudes into a supply channel. Thus, with the system according to the invention, the moisture content in the supply channel can be measured.

Handelt es sich bei den Plattenelementen um Bipolarplatten ist das erste Spannelement bevorzugt in einem Verteilerbereich der ersten Bipolarplatte angeordnet und ist das zweite Spannelement bevorzugt in einem Verteilerbereich der zweiten Bipolarplatte angeordnet. Somit kann das erfindungsgemäße System zum Ermitteln des Feuchtegehalts eines Betriebsmittels eingesetzt werden, ohne in einem aktiven Bereich der Bipolarplatte angeordnet zu sein.If the plate elements are bipolar plates, the first clamping element is preferably arranged in a distributor region of the first bipolar plate and the second clamping element is preferably arranged in a distributor region of the second bipolar plate. Thus, the inventive system for determining the moisture content of a resource can be used without being arranged in an active region of the bipolar plate.

Wie bereits einleitend erwähnt, ist ein Brennstoffzellenstapel in der Regel verpresst, um ihn zusammenzuhalten und die Stapelkomponenten zusammenzupressen. Der Pressdruck trägt zudem zur Abdichtung des Stapels bei und stellt einen adäquaten elektrischen Kontakt zwischen den Stapelkomponenten sicher. Bevorzugt bewirkt der Pressdruck des Stapels gemäß dieser Ausführungsform zudem das Einspannen von Membran und Kraftsensor zwischen den als Teil der Bipolarplatten ausgebildeten ersten und zweiten Spannelementen. Somit kann vorteilhaft die Membranfeuchte unmittelbar im Inneren des Stapels ermittelt werden. Zudem ist der für das erfindungsgemäße System benötigte Bauraum reduziert, da dieses direkt in bestehende Stapelkomponenten integriert ist. Der Kraftsensor ist dabei das einzige zusätzlich hinzugefügte Element. Es ist bekannt, dass die Polymerelektrolytmembranen eines Brennstoffzellenstapels während dessen Betrieb zyklisch an- und abschwellen. Dies wird auch als „breathing“ des Brennstoffzellenstapels bezeichnet. Um den Einfluss benachbarter Brennstoffzellen beziehungsweise Polymerelektrolytmembranen auf das erfindungsgemäße System zu verringern, muss ein entsprechendes Signal, beispielsweise in Form zyklischer Druckschwankungen, von einem mit dem Kraftsensor erfassten Signal abgezogen werden.As already mentioned in the introduction, a fuel cell stack is usually pressed to hold it together and compress the stack components. The pressing pressure also helps to seal the stack and ensures adequate electrical contact between the stack components. Preferably, the pressing pressure of the stack according to this embodiment also causes the clamping of membrane and force sensor between the first and second clamping elements formed as part of the bipolar plates. Thus, advantageously, the membrane moisture can be determined directly in the interior of the stack. In addition, the space required for the system according to the invention is reduced, since this is integrated directly into existing stack components. The force sensor is the only additional added element. It is known that the polymer electrolyte membranes of a fuel cell stack cyclically increase and decrease during its operation. This is also referred to as "breathing" the fuel cell stack. In order to reduce the influence of adjacent fuel cells or polymer electrolyte membranes on the system according to the invention, a corresponding signal, for example in the form of cyclical pressure fluctuations, must be subtracted from a signal detected by the force sensor.

Bei der Membran handelt es sich bevorzugt um eine Polymermembran, insbesondere um eine sulfonierte PFTE Membran, beispielsweise um eine Nafion© Membran. Somit kann es sich bei der Membran bevorzugt um eine Polymerelektrolytmembran handeln, wie sie regelmäßig in Brennstoffzellen eingesetzt werden. Ebenfalls bevorzugt handelt es sich bei der Membran um eine in einem Brennstoffzellensystem angeordnete sulfonierte PFTE Membran, besonders bevorzugt um eine in einer Brennstoffzelle angeordnete sulfonierte PFTE Membran. In einer alternativen Ausführungsform handelt es sich bei der Membran um eine wasserdampfpermeable Befeuchtermembran, das heißt um eine Membran, wie sie regelmäßig in Befeuchtern von Brennstoffzellensystem eingesetzt werden. Ebenfalls bevorzugt handelt es sich bei der Membran um eine in einem Brennstoffzellensystem angeordnete Befeuchtermembran, besonders bevorzugt um eine in einem Befeuchter angeordnete Befeuchtermembran. Alternativ sind die Membranen unabhängig von bestehenden Bauteilen in einem Brennstoffzellensystem angeordnet. Die quellfähige Membran weist bevorzugt eine Dicke zwischen 5 µm und 200 µm, besonders bevorzugt zwischen 10 µm und 100 µm und ebenfalls bevorzugt zwischen 25 µm und 75 µm auf. Besonders bevorzugt weist die quellfähige Membran eine Dicke zwischen 10 µm und 30 µm auf.The membrane is preferably a polymer membrane, in particular a sulfonated PTFE membrane, for example a Nafion® membrane. Thus, the membrane may preferably be a polymer electrolyte membrane, as are commonly used in fuel cells. Likewise preferably, the membrane is a sulfonated PTFE membrane arranged in a fuel cell system, more preferably a sulfonated PTFE membrane arranged in a fuel cell. In an alternative embodiment, the membrane is a water vapor permeable humidifier membrane, that is to say a membrane, as are regularly used in humidifiers of fuel cell systems. Likewise preferably, the membrane is a humidifier membrane arranged in a fuel cell system, more preferably a humidifier membrane arranged in a humidifier. Alternatively, the membranes are arranged independently of existing components in a fuel cell system. The swellable membrane preferably has a thickness of between 5 μm and 200 μm, more preferably between 10 μm and 100 μm, and also preferably between 25 μm and 75 μm. Particularly preferably, the swellable membrane has a thickness between 10 .mu.m and 30 .mu.m.

Bei dem Kraftsensor handelt es sich bevorzugt um einen Piezosensor, einen Silizium-Mikro-Kraftsensor, einen mikromechanischen Kraftsensor oder einen Mikrotaster. Regelmäßig in Brennstoffzellen oder Befeuchtern von Brennstoffzellensystemen eingesetzte Membrane weisen in der Regel feuchtebasierte Schwankung ihrer Dicke beziehungsweise ihrer Ausdehnung in Normalenrichtung der Hauptoberflächen im Bereich von 1 % bis 10 % ihrer Dicke im trockenen Zustand auf. Dabei bezeichnet der trockene Zustand einen Zustand in dem der Feuchtegehalt der Membran zumindest im Wesentlichen gleich Null ist. Auf Basis der bevorzugten Dicken der Membran sollte der Kraftsensor daher dazu ausgebildet sein Quellkräfte zu detektieren beziehungsweise aufzulösen, die einer Expansion der Membran in Normalenrichtung der Hauptoberflächen zwischen 0,05 µm und 2 µm, bevorzugt 0,1 µm und 1 µm, ebenfalls bevorzugt 0,25 µm und 0,75 µm und besonders bevorzugt 0,1 µm und 0,3 µm entsprechen. Dabei führt das Erhöhen der aktiven Sensorfläche bei gleichem Quelldruck zur Steigerung der Sensitivität des Kraftsensors.The force sensor is preferably a piezo sensor, a silicon micro force sensor, a micromechanical force sensor or a micro probe. Regularly used in fuel cells or humidifiers of fuel cell systems membranes typically have moisture-based variation in their thickness or their extent in the normal direction of the main surfaces in the range of 1% to 10% of their thickness in the dry state. In this case, the dry state denotes a state in which the moisture content of the membrane is at least substantially equal to zero. On the basis of the preferred thicknesses of the membrane, the force sensor should therefore be designed to detect swelling forces or to resolve the expansion of the membrane in the normal direction of the main surfaces between 0.05 microns and 2 microns, preferably 0.1 microns and 1 micron, also preferably 0.25 microns and 0.75 microns and more preferably 0.1 microns and 0, Correspond to 3 microns. Increasing the active sensor area at the same source pressure increases the sensitivity of the force sensor.

Ein weiterer Aspekt der Erfindung bezieht sich auf ein Brennstoffzellensystem mit einem erfindungsgemäßen System zum Ermitteln einer Membranfeuchte, wie vorstehend beschrieben. Bei dem Brennstoffzellensystem handelt es sich bevorzugt um ein aus dem Stand der Technik bekanntes Brennstoffzellensystem, in dem ein erfindungsgemäßes System zum Ermitteln einer Membranfeuchte angeordnet ist. Ein aus dem Stand der Technik bekanntes Brennstoffzellensystem ist beispielhaft in 1 beschrieben.A further aspect of the invention relates to a fuel cell system having a system according to the invention for determining a membrane moisture, as described above. The fuel cell system is preferably a fuel cell system known from the prior art, in which a system according to the invention for determining a membrane moisture is arranged. A known from the prior art fuel cell system is exemplary in 1 described.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist das erfindungsgemäße System als komplett eigenständiges Messsystem in der Anodenversorgung oder in der Kathodenversorgung des Brennstoffzellensystems angeordnet. Dabei integriert das erfindungsgemäße System eine zusätzliche quellfähige Membran in das Brennstoffzellensystem. Dabei ähnelt oder gleicht die integrierte quellfähige Membran vorzugsweise einer bereits in dem Brennstoffzellensystem enthaltenen quellfähigen Membran. Besonders bevorzugt weist die zusätzliche quellfähige Membran das gleiche Material und die gleiche Dicke auf, wie eine bereits in dem Brennstoffzellensystem vorhandene quellfähige Membran. Das erfindungsgemäße System kann somit vorteilhaft als eigenständiges Messsystem in bestehende Brennstoffzellensysteme nachgerüstet werden.According to a preferred embodiment, the system according to the invention is arranged as a completely independent measuring system in the anode supply or in the cathode supply of the fuel cell system. In this case, the system according to the invention integrates an additional swellable membrane into the fuel cell system. In this case, the integrated swellable membrane preferably resembles or resembles a swellable membrane already contained in the fuel cell system. Particularly preferably, the additional swellable membrane has the same material and the same thickness as a swellable membrane already present in the fuel cell system. The system according to the invention can thus be advantageously retrofitted as an independent measuring system in existing fuel cell systems.

In einer ebenfalls bevorzugten Ausführungsform ist das erfindungsgemäße System in einen Befeuchter eines Brennstoffzellensystems integriert. Insbesondere ist das erfindungsgemäße System in einen in der Kathodenversorgung eines Brennstoffzellensystems angeordneten Befeuchter integriert. Die Befeuchtermembran ist somit gleichzeitig die quellfähige Membran des erfindungsgemäßen Systems. Das erfindungsgemäße System kann dabei ausgebildet werden, indem ein Kraftsensor mittels eines ersten und eines zweiten Spannelements an der Befeuchtermembran fixiert wird. Erfindungsgemäß ist der Kraftsensor dabei zwischen der Befeuchtermembran und dem ersten Spannelement und ist die Befeuchtermembran zwischen dem Kraftsensor und dem zweiten Spannelement angeordnet. Mittels des erfindungsgemäßen Systems kann somit der Feuchtegehalt der Befeuchtermembran sowie der Feuchtegehalt eines die Befeuchtermembran kontaktierenden Kathodenbetriebsmittels ermittelt werden.In a likewise preferred embodiment, the system according to the invention is integrated in a humidifier of a fuel cell system. In particular, the system according to the invention is integrated in a humidifier arranged in the cathode supply of a fuel cell system. The humidifier membrane is thus at the same time the swellable membrane of the system according to the invention. The system according to the invention can be formed by fixing a force sensor to the humidifier membrane by means of a first and a second clamping element. According to the invention, the force sensor is between the humidifier membrane and the first clamping element and the humidifier membrane is arranged between the force sensor and the second clamping element. By means of the system according to the invention, the moisture content of the humidifying membrane as well as the moisture content of a cathode operating agent contacting the humidifying membrane can thus be determined.

Ebenfalls bevorzugt handelt es sich bei den Spannelementen um in dem Befeuchter angeordnete Plattenelemente zum Einspannen der Befeuchtermembran. Die quellfähige Membran steht bevorzugt in einer Richtung senkrecht zu den Normalenrichtungen der Hauptoberflächen über die Plattenelemente über. Besonders bevorzugt weisen die Plattenelemente jeweils innenliegende Durchgangsöffnungen auf, die übereinander fluchtend angeordnet sind und von einem feuchten oder zu befeuchtenden Gasstrom durchströmt werden. Besonders bevorzugt steht ein Abschnitt der Membran über einen innenliegenden Randbereich der Plattenelemente über und ragt somit in eine solche Durchgangsöffnung hinein. Ebenfalls bevorzugt handelt es sich bei der Durchgangsöffnung um einen Teil einer Gasleitung für einen zu befeuchtenden Gasstrom.Also preferably, the clamping elements are arranged in the humidifier plate elements for clamping the humidifier membrane. The swellable membrane preferably overhangs the plate members in a direction perpendicular to the normal directions of the major surfaces. Particularly preferably, the plate elements each have internal passage openings, which are arranged one above the other in alignment and are flowed through by a moist or to be humidified gas stream. Particularly preferably, a portion of the membrane protrudes beyond an inner edge region of the plate elements and thus projects into such a passage opening. Also preferably, the passage opening is a part of a gas line for a gas stream to be humidified.

In einer ferner bevorzugten Ausführungsform ist das erfindungsgemäße System in zumindest eine Brennstoffzelle eines Brennstoffzellensystems integriert. Insbesondere ist das erfindungsgemäße System in zumindest eine in einem Brennstoffzellenstapel angeordnete Brennstoffzelle integriert. In diesem Fall ist die Polymerelektrolytmembran der zumindest einen Brennstoffzelle gleichzeitig die quellfähige Membran des erfindungsgemäßen Systems. Das erfindungsgemäße System kann dabei ausgebildet werden, indem ein Kraftsensor mittels eines ersten und eines zweiten Spannelements an der Polymerelektrolytmembran fixiert wird. Erfindungsgemäß sind der Kraftsensor dabei zwischen der Polymerelektrolytmembran und dem ersten Spannelement und die Polymerelektrolytmembran zwischen dem Kraftsensor und dem zweiten Spannelement angeordnet. In einer ebenfalls bevorzugten Ausführungsform kann ein Brennstoffzellenstapel eine speziell für das erfindungsgemäße System vorgesehene Referenzmembran aufweisen, die nicht der Energieerzeugung dient.In a further preferred embodiment, the system according to the invention is integrated into at least one fuel cell of a fuel cell system. In particular, the system according to the invention is integrated into at least one fuel cell arranged in a fuel cell stack. In this case, the polymer electrolyte membrane of the at least one fuel cell is at the same time the swellable membrane of the system according to the invention. The system according to the invention can be formed by fixing a force sensor to the polymer electrolyte membrane by means of a first and a second tensioning element. According to the invention, the force sensor between the polymer electrolyte membrane and the first clamping element and the polymer electrolyte membrane between the force sensor and the second clamping element are arranged. In a likewise preferred embodiment, a fuel cell stack can have a reference membrane provided specifically for the system according to the invention, which does not serve to generate energy.

Ebenfalls bevorzugt handelt es sich bei den Spannelementen um in dem Brennstoffzellenstapel angeordnete Plattenelemente, insbesondere um Bipolarplatten. Die quellfähige Membran steht bevorzugt in einer Richtung senkrecht zu den Normalenrichtungen der Hauptoberflächen über die Plattenelemente über. Besonders bevorzugt weisen die Plattenelemente jeweils innenliegende Betriebsmitteldurchgangsöffnungen zum Ausbilden von Hauptversorgungskanälen auf, und steht ein Abschnitt der Membran über einen innenliegenden Randbereich der Plattenelemente über und ragt somit in eine solche Betriebsmitteldurchgangsöffnung hinein.Also preferably, the clamping elements are arranged in the fuel cell stack plate elements, in particular bipolar plates. The swellable membrane preferably overhangs the plate members in a direction perpendicular to the normal directions of the major surfaces. Particularly preferably, the plate elements each have internal equipment through-openings for forming main supply channels, and a portion of the membrane projects beyond an inner edge region of the plate elements and thus projects into such equipment through-opening.

Ebenfalls Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zum Ermitteln des Feuchtegehalts einer quellfähigen Membran mit den Verfahrensschritten: Einspannen eines Kraftsensors und einer quellfähigen Membran zwischen einem ersten Spannelement und einem zweiten Spannelement; Erfassen einer von der quellfähigen Membran auf den Kraftsensor ausgeübten Druckkraft; und Ermitteln eines Feuchtegehalts der quellfähigen Membran anhand der erfassten Druckkraft. Mit anderen Worten besteht das erfindungsgemäße Verfahren in der Verwendung des erfindungsgemäßen Systems zum Ermitteln des Feuchtegehalts der Membran. Der erste Verfahrensschritt kann somit alternativ formuliert werden als: Bereitstellen eines erfindungsgemäßen Systems zum Ermitteln einer Membranfeuchte. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist vorteilhaft die Membranfeuchte nur mittels eines Kraftsensors bestimmbar, indem eine intrinsische Eigenschaft der quellfähigen Membran ausgenutzt wird.The invention likewise relates to a method for determining the moisture content of a swellable membrane with the method steps: clamping a force sensor and a swellable membrane between a first Clamping element and a second clamping element; Detecting a compressive force exerted on the force sensor by the swellable membrane; and determining a moisture content of the swellable membrane based on the detected compressive force. In other words, the method according to the invention is the use of the system according to the invention for determining the moisture content of the membrane. The first method step can thus alternatively be formulated as: provision of a system according to the invention for determining a membrane moisture. With the method according to the invention, the membrane moisture can advantageously be determined only by means of a force sensor by exploiting an intrinsic property of the swellable membrane.

Das erfindungsgemäße Verfahren zum Ermitteln des Feuchtegehalts einer quellfähigen Membran weist bevorzugt ferner den Verfahrensschritt auf: Vergleichen der erfassten Druckkraft mit einer Referenzdruckkraftfunktion und Ermitteln des Feuchtegehalts der Membran aus der Referenzdruckkraftfunktion. Die Referenzdruckkraftfunktion ist bevorzugt unter Laborbedingungen mittels eines identischen Systems, beispielsweise während der Entwicklung des erfindungsgemäßen Systems, erstellt worden. Die Referenzdruckkraftfunktion wurde dabei insbesondere anhand einer materialgleichen Referenzmembran gleicher Dicke und mit einem zum erfindungsgemäßen Verfahren identischen Kraftsensor und mit zum erfindungsgemäßen Verfahren identischen Spannelementen erstellt. Zum Erstellen der Referenzdruckkraftfunktion wurde zunächst ein bestimmter Feuchtegehalt der Referenzmembran eingestellt. Dazu wurde die Referenzmembran beispielsweise in ein thermodynamisches Gleichgewicht mit einem bestimmten Betriebsmittel, beispielsweise Luft, mit definierter relativer Feuchte gebracht. Anschließend wurde mittels des Kraftsensors eine von der Referenzmembran auf diesen ausgeübte Referenzdruckkraft erfasst. Zusätzlich wurde ein Referenzfeuchtegehalt mittels einer Referenzmessmethode, beispielsweise über das Messen der Impedanz der Membran oder mittels einer gravimetrischen Messung, erfasst. Schließlich wurde der so erfasste jeweilige Referenzfeuchtegehalt mit der jeweils erfassten Referenzdruckkraft korreliert.The inventive method for determining the moisture content of a swellable membrane preferably further comprises the step of: comparing the detected pressure force with a reference pressure force function and determining the moisture content of the membrane from the reference pressure force function. The reference compressive force function has preferably been created under laboratory conditions by means of an identical system, for example during the development of the system according to the invention. The reference pressure force function was in this case created in particular on the basis of a material-identical reference membrane of the same thickness and with a force sensor identical to the method according to the invention and with clamping elements identical to the method according to the invention. To create the reference pressure force function, a specific moisture content of the reference membrane was initially set. For this purpose, the reference membrane was, for example, brought into a thermodynamic equilibrium with a specific operating medium, for example air, with a defined relative humidity. Subsequently, by means of the force sensor, a reference pressure exerted on the reference diaphragm by the reference diaphragm was detected. In addition, a reference moisture content was measured by means of a reference measurement method, for example by measuring the impedance of the membrane or by means of a gravimetric measurement. Finally, the respective reference moisture content thus detected was correlated with the respectively measured reference pressure force.

Durch Wiederholen des oben beschriebenen Vorgangs für eine Vielzahl von Feuchtgehalten der Membran wurde schließlich die Referenzdruckkraftfunktion erstellt. Im erfindungsgemäßen Verfahren zum Ermitteln des Feuchtegehalts einer Membran kann anhand einer erfassten Druckkraft ein aktueller Feuchtegehalt der Membran aus der Referenzdruckkraftfunktion abgeleitet werden. In einer alternativen Ausführungsform wird die Membranfeuchte anhand eines Membranmodells und der erfassten Druckkraft bestimmt. Im Sinne der vorliegenden Anmeldung kann die Membranfeuchte auf verschiedene Weise bestimmt sein, beispielsweise als relativer gravimetrischer Feuchtegehalt in g/cm3, als Wasseraktivität a=pH2O/pvap H2O beziehungsweise als Verhältnis aus Wasserdampfpartialdruck in der Membran pH2O zum Sättigungsdampfdruck reinen Wassers bei einer bestimmten Temperatur pvap H2O. Alternativ kann die Membranfeuchte als das Verhältnis von in der Membran vorhandenen Sulfonsäuregruppen zu tatsächlich von Wassermolekülen besetzten Sulfonsäuregruppen definiert sein.By repeating the above-described operation for a plurality of wet contents of the membrane, finally, the reference compressive force function was created. In the method according to the invention for determining the moisture content of a membrane, a current moisture content of the membrane can be derived from the reference pressure force function on the basis of a detected pressure force. In an alternative embodiment, the membrane moisture is determined based on a membrane model and the detected compressive force. For the purposes of the present application, the membrane moisture can be determined in various ways, for example as a relative gravimetric moisture content in g / cm 3 , as water activity a = p H2O / p vap H2O or as ratio of water vapor partial pressure in the membrane p H2O to the saturation vapor pressure of pure water a certain temperature p vap H2O . Alternatively, the membrane moisture may be defined as the ratio of sulfonic acid groups present in the membrane to sulfonic acid groups actually occupied by water molecules.

Ebenfalls Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zum Ermitteln der relativen Feuchtigkeit eines Betriebsmittels eines Brennstoffzellensystems mit den Verfahrensschritten: Anordnen eines erfindungsgemäßen Systems zum Ermitteln einer Membranfeuchte in dem Brennstoffzellensystem; Erfassen einer von der ersten quellfähigen Membran auf den Kraftsensor ausgeübten Druckkraft; Ermitteln eines Feuchtegehalts der quellfähigen Membran anhand der erfassten Druckkraft und Ermitteln einer relativen Feuchtigkeit eines die Membran umgebenden Betriebsmittels anhand des ermittelten Feuchtegehalts der Membran. Alternativ kann der erste Verfahrensschritt formuliert werden als Einspannen einer Polymerelektrolytmembran oder einer Befeuchtermembran des Brennstoffzellensystems und eines Kraftsensors mittels eines ersten und zweiten Spannelements.The invention likewise provides a method for determining the relative humidity of a fuel cell system operating medium comprising the steps of: arranging a system according to the invention for determining a membrane moisture in the fuel cell system; Detecting a compressive force exerted on the force sensor by the first swellable membrane; Determining a moisture content of the swellable membrane on the basis of the detected compressive force and determining a relative humidity of an ambient surrounding the membrane based on the determined moisture content of the membrane. Alternatively, the first method step may be formulated as clamping a polymer electrolyte membrane or a humidifier membrane of the fuel cell system and a force sensor by means of a first and second clamping element.

Das erfindungsgemäße Verfahren zum Ermitteln der relativen Feuchtigkeit eines Betriebsmittels eines Brennstoffzellensystems weist bevorzugt ferner den Verfahrensschritt auf: Vergleichen der erfassten Druckkraft mit einer Referenzdruckkraftfunktion und Ermitteln des Feuchtegehalts der Membran aus der Referenzdruckkraftfunktion. Zum Erstellen der Referenzdruckkraftfunktion wird auf obige Ausführungen verwiesen. Das erfindungsgemäße Verfahren zum Ermitteln der relativen Feuchtigkeit eines Betriebsmittels eines Brennstoffzellensystems weist bevorzugt ferner den Verfahrensschritt auf: Vergleichen des ermittelten Feuchtegehalts der Membran mit einer Referenzfeuchtefunktion und Ermitteln der relativen Feuchtigkeit eines die Membran umgebenden Betriebsmittels anhand der Referenzfeuchtefunktion.The inventive method for determining the relative humidity of a resource of a fuel cell system preferably further comprises the step of: comparing the detected pressure force with a reference pressure force function and determining the moisture content of the membrane from the reference pressure force function. For creating the reference pressure force function, reference is made to the above statements. The inventive method for determining the relative humidity of a resource of a fuel cell system preferably further comprises the step of: comparing the determined moisture content of the membrane with a reference humidity function and determining the relative humidity of an operating medium surrounding the membrane based on the reference moisture function.

Die Referenzfeuchtefunktion ist bevorzugt unter Laborbedingungen und unter Verwendung eines identischen Systems zum Ermitteln einer Membranfeuchte erstellt worden. Die Referenzfeuchtefunktion wurde dabei insbesondere anhand einer materialgleichen Referenzmembran gleicher Dicke und mit einem zum erfindungsgemäßen identischen Kraftsensor und mit zum erfindungsgemäßen System identischen Spannelementen erstellt. Zum Erstellen der Referenzfeuchtefunktion wurde ein bestimmter Feuchtegehalt der Referenzmembran eingestellt, indem die Referenzmembran in ein thermodynamisches Gleichgewicht mit einem die Membran umgebenden Betriebsmittel, beispielsweise Luft, gebracht wurde. Dabei wies das Betriebsmittel eine definierte relative Feuchte auf oder wurde die relative Feuchte des Betriebsmittels erfasst. Zusätzlich wurde ein Feuchtegehalt der Membran erfasst, beispielsweise mittels einer Impedanzmessung, einer gravimetrischen Messung oder mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Ermitteln einer Membranfeuchte. Schließlich wurde die so erfasste jeweilige Membranfeuchte mit der jeweils erfassten relativen Feuchte des Betriebsmittels korreliert. Durch Wiederholen dieses Vorgangs für eine Vielzahl von relativen Feuchten des Betriebsmittels wurde schließlich die Referenzfeuchtefunktion erstellt.The reference moisture function has preferably been established under laboratory conditions and using an identical system for determining membrane moisture. The reference moisture function was created in particular using a material-identical reference membrane of the same thickness and with an identical force sensor according to the invention and identical to the inventive system clamping elements. To create the reference moisture function, a specific moisture content of the reference membrane was set by placing the reference membrane in a thermodynamic equilibrium with a surrounding the membrane resources, such as air, was brought. The equipment had a defined relative humidity or the relative humidity of the equipment was recorded. In addition, a moisture content of the membrane was detected, for example by means of an impedance measurement, a gravimetric measurement or by means of the method according to the invention for determining a membrane moisture. Finally, the respective membrane moisture detected in this way was correlated with the respectively detected relative humidity of the equipment. By repeating this process for a variety of relative humidities of the resource, the reference humidity function was finally created.

Es hat sich gezeigt, dass bei einer relativen Feuchte des Betriebsmittels, beispielsweise einer relativen Luftfeuchte, von 100 % der Feuchtegehalt der Membran sein Maximum noch nicht erreicht hat. Mit anderen Worten kann der Feuchtegehalt der Membran weiter ansteigen, auch wenn die relative Feuchte des Betriebsmittels nicht mehr ansteigen kann. Der relativen Feuchte des Betriebsmittels von 100 % kann somit über die Referenzfeuchtefunktion ein definierter Feuchtegehalt der Membran zugeordnet werden, der nicht der maximale Feuchtegehalt der Membran ist. Wird im erfindungsgemäßen Verfahren zum Ermitteln des Feuchtegehalts eines Betriebsmittels eines Brennstoffzellensystems mittels der Referenzdruckkraftfunktion ein Feuchtegehalt der Membran ermittelt, der gleich oder größer dieses definierten Feuchtegehalts ist, kann somit darauf geschlossen werden, dass die relative Feuchte des Betriebsmittels 100 % beträgt und mit hoher Wahrscheinlichkeit Flüssigkeit, insbesondere Flüssigwasser an oder nahe der Membran vorliegt. Anhand der Stärke der Überschreitung des definierten Feuchtegehalts der Membran kann zudem auf die Menge der an oder nahe der Membran vorliegenden Flüssigkeit, insbesondere auf die Menge des an oder nahe der Membran vorliegenden Flüssigwassers, geschlossen werden.It has been shown that at a relative humidity of the operating medium, for example a relative humidity of 100%, the moisture content of the membrane has not yet reached its maximum. In other words, the moisture content of the membrane may continue to rise, even if the relative humidity of the equipment can no longer increase. The relative humidity of the equipment of 100% can thus be assigned via the reference moisture function, a defined moisture content of the membrane, which is not the maximum moisture content of the membrane. If, in the method according to the invention for determining the moisture content of a fuel cell system by means of the reference pressure force function, a moisture content of the membrane is determined which is equal to or greater than this defined moisture content, then it can be concluded that the relative humidity of the operating medium is 100% and with high probability liquid , In particular, liquid water is present at or near the membrane. On the basis of the extent of exceeding the defined moisture content of the membrane, it is also possible to deduce the amount of liquid present at or near the membrane, in particular the amount of liquid water present at or near the membrane.

Im erfindungsgemäßen Verfahren zum Ermitteln der relativen Feuchtigkeit eines Betriebsmittels eines Brennstoffzellensystems kann nun anhand eines ermittelten Feuchtegehalts der quellfähigen Membran eine aktuelle relative Feuchte eines die Membran umgebenden Betriebsmittels ermittelt werden. Zusätzlich kann vorteilhaft ermittelt werden, dass Flüssigwasser an oder nahe der Membran vorliegt und kann bevorzugt die Menge des vorliegenden Flüssigwassers abgeschätzt werden. In einer alternativen Ausführungsform kann die relative Feuchte eines die Membran umgebenden Betriebsmittels anhand eines Feuchtigkeitstransfermodells aus der ermittelten Membranfeuchte ermittelt werden. Sowohl das erfindungsgemäße Verfahren zum Ermitteln des Feuchtegehalts einer quellfähigen Membran als auch das erfindungsgemäße Verfahren zum Ermitteln der relativen Feuchtigkeit eines Betriebsmittels eines Brennstoffzellensystems kann ferner den Verfahrensschritt aufweisen: Ermitteln einer Ausdehnung der quellfähigen Membran in einer Normalenrichtung der Hauptoberflächen anhand der erfassten Druckkraft. Auch hierfür werden Referenzmessungen oder ein geeignetes Model genutzt.In the method according to the invention for determining the relative humidity of a resource of a fuel cell system, a current relative humidity of a resource surrounding the diaphragm can now be determined on the basis of a determined moisture content of the swellable membrane. In addition, it may be advantageously determined that liquid water is present at or near the membrane and, preferably, the amount of liquid water present can be estimated. In an alternative embodiment, the relative humidity of an operating medium surrounding the membrane can be determined from the determined membrane moisture using a moisture transfer model. Both the method according to the invention for determining the moisture content of a swellable membrane and the method according to the invention for determining the relative humidity of an operating medium of a fuel cell system can also comprise the method step of determining an expansion of the swellable membrane in a normal direction of the main surfaces on the basis of the detected compressive force. Again, reference measurements or a suitable model are used.

Das erfindungsgemäß System zum Ermitteln einer Membranfeuchte und/oder das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem weisen ferner bevorzugt eine zum Durchführen zumindest eines der erfindungsgemäßen Verfahren eingerichtete Steuereinheit auf. Die Steuereinheit weist zumindest einen Signaleingang zum Empfangen eines von dem Kraftsensor ausgegebenen Messsignals auf. Ferner weist die Steuereinheit einen Speicher auf, wobei beispielsweise die Referenzdruckkraftfunktion und/oder die Referenzfeuchtefunktion auf dem Speicher gespeichert sind. Ferner weist die Steuereinheit zumindest einen Signalausgang zum Ausgeben des ermittelten Feuchtegehalts der Membran und/oder der ermittelten relativen Feuchte eines die Membran umgebenden Betriebsmittels auf.The system according to the invention for determining a membrane moisture and / or the fuel cell system according to the invention preferably also have a control unit configured to carry out at least one of the methods according to the invention. The control unit has at least one signal input for receiving a measurement signal output by the force sensor. Furthermore, the control unit has a memory, wherein, for example, the reference pressure force function and / or the reference humidity function are stored in the memory. Furthermore, the control unit has at least one signal output for outputting the determined moisture content of the membrane and / or the determined relative humidity of a device surrounding the membrane.

Weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den übrigen, in den Unteransprüchen genannten Merkmalen. Die verschiedenen in dieser Anmeldung genannten Ausführungsformen der Erfindung sind, sofern im Einzelfall nicht anders ausgeführt, mit Vorteil miteinander kombinierbar.Further preferred embodiments of the invention will become apparent from the remaining, mentioned in the dependent claims characteristics. The various embodiments of the invention mentioned in this application are, unless otherwise stated in the individual case, advantageously combinable with each other.

Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand der zugehörigen Zeichnungen erläutert. Es zeigen:

  • 1 eine schematische Darstellung eines Brennstoffzellensystems gemäß einem Ausführungsbeispiel;
  • 2 eine schematische Darstellung eines Systems zum Ermitteln einer Membranfeuchte gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel; und
  • 3 eine schematische Darstellung eines Systems zum Ermitteln einer Membranfeuchte gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel.
The invention will be explained below in embodiments with reference to the accompanying drawings. Show it:
  • 1 a schematic representation of a fuel cell system according to an embodiment;
  • 2 a schematic representation of a system for determining a membrane moisture according to a first embodiment; and
  • 3 a schematic representation of a system for determining a membrane moisture according to a second embodiment.

1 zeigt ein insgesamt mit 100 bezeichnetes Brennstoffzellensystem gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung. Das Brennstoffzellensystem 100 ist Teil eines nicht weiter dargestellten Fahrzeugs, insbesondere eines Elektrofahrzeugs, das einen Elektrotraktionsmotor aufweist, der durch das Brennstoffzellensystem 100 mit elektrischer Energie versorgt wird. 1 shows a fuel cell system generally designated 100 according to a preferred embodiment of the present invention. The fuel cell system 100 is part of a not further illustrated vehicle, in particular an electric vehicle having an electric traction motor, by the fuel cell system 100 is supplied with electrical energy.

Das Brennstoffzellensystem 100 umfasst als Kernkomponente einen Brennstoffzellenstapel 10, der eine Vielzahl von in Stapelform angeordneten Einzelzellen 11 aufweist, die durch abwechselnd gestapelte Membran-Elektroden-Anordnungen (MEA) 14 und Bipolarplatten 15 ausgebildet werden (siehe Detailausschnitt). Jede Einzelzelle 11 umfasst somit jeweils eine MEA 14 mit einer hier nicht näher dargestellten ionenleitfähigen Polymerelektrolytmembran sowie beidseits daran angeordnete katalytische Elektroden. Diese Elektroden katalysieren die jeweilige Teilreaktion der Brennstoffumsetzung. Die Anoden- und Kathodenelektrode sind als Beschichtung auf der Membran ausgebildet und weisen ein katalytisches Material auf, beispielsweise Platin, das auf einem elektrisch leitfähigen Trägermaterial großer spezifischer Oberfläche, beispielsweise einem kohlenstoffbasierten Material, geträgert vorliegt.The fuel cell system 100 comprises as a core component a fuel cell stack 10 containing a plurality of stacked single cells 11 which is characterized by alternating Stacked Membrane Electrode Arrangements (MEA) 14 and bipolar plates 15 be formed (see detail). Every single cell 11 thus includes one MEA each 14 with an ion-conducting polymer electrolyte membrane (not shown here) as well as catalytic electrodes arranged on both sides. These electrodes catalyze the respective partial reaction of the fuel conversion. The anode and cathode electrodes are formed as a coating on the membrane and comprise a catalytic material, for example platinum, supported on an electrically conductive substrate of high specific surface area, for example a carbon based material.

Wie in der Detaildarstellung der 1 gezeigt, ist zwischen einer Bipolarplatte 15 und der Anode ein Anodenraum 12 ausgebildet und ist zwischen der Kathode und der nächsten Bipolarplatte 15 der Kathodenraum 13 ausgebildet. Die Bipolarplatten 15 dienen der Zuführung der Betriebsmittel in die Anoden- und Kathodenräume 12, 13 und stellen ferner die elektrische Verbindung zwischen den einzelnen Brennstoffzellen 11 her. Optional können Gasdiffusionslagen zwischen den Membran-Elektroden-Anordnungen 14 und den Bipolarplatten 15 angeordnet sein.As in the detailed representation of the 1 is shown between a bipolar plate 15 and the anode an anode compartment 12 is formed and is between the cathode and the next bipolar plate 15 the cathode compartment 13 educated. The bipolar plates 15 serve to supply the resources in the anode and cathode spaces 12 . 13 and further provide the electrical connection between the individual fuel cells 11 ago. Optionally, gas diffusion layers may be interposed between the membrane-electrode assemblies 14 and the bipolar plates 15 be arranged.

Um den Brennstoffzellenstapel 10 mit den Betriebsmitteln zu versorgen, weist das Brennstoffzellensystem 100 einerseits eine Anodenversorgung 20 und andererseits eine Kathodenversorgung 30 auf.To the fuel cell stack 10 to supply with the resources, the fuel cell system 100 on the one hand, an anode supply 20 and on the other hand, a cathode supply 30 on.

Die Anodenversorgung 20 des in 1 gezeigten Brennstoffzellensystems 100 umfasst einen Anodenversorgungspfad 21, welcher der Zuführung eines Anodenbetriebsmittels (dem Brennstoff), beispielsweise Wasserstoff, in die Anodenräume 12 des Brennstoffzellenstapels 10 dient. Zu diesem Zweck verbinden die Anodenversorgungspfade 21 einen Brennstoffspeicher 23 mit einem Anodeneinlass des Brennstoffzellenstapels 10. Die Anodenversorgung 20 umfasst ferner einen Anodenabgaspfad 22, der das Anodenabgas aus den Anodenräumen 12 über einen Anodenauslass des Brennstoffzellenstapels 10 abführt. Der Anodenbetriebsdruck auf den Anodenseiten 12 des Brennstoffzellenstapels 10 ist über ein Dosierventil 24 in dem Anodenversorgungspfad 21 einstellbar.The anode supply 20 of in 1 shown fuel cell system 100 includes an anode supply path 21 which feeds an anode resource (the fuel), for example hydrogen, into the anode spaces 12 of the fuel cell stack 10 serves. For this purpose, connect the anode supply paths 21 a fuel storage 23 with an anode inlet of the fuel cell stack 10 , The anode supply 20 further includes an anode exhaust path 22 containing the anode exhaust gas from the anode chambers 12 via an anode outlet of the fuel cell stack 10 dissipates. The anode operating pressure on the anode sides 12 of the fuel cell stack 10 is via a metering valve 24 in the anode supply path 21 adjustable.

Darüber hinaus weist die Anodenversorgung 20 des in 1 gezeigten Brennstoffzellensystems eine Rezirkulationsleitung 25 auf, welche den Anodenabgaspfad 22 mit dem Anodenversorgungspfad 21 verbindet. Die Rezirkulation von Brennstoff ist üblich, um den zumeist überstöchiometrisch eingesetzten Brennstoff dem Brennstoffzellenstapel 10 zurückzuführen. In der Rezirkulationsleitung 25 ist eine Rezirkulationsfördereinrichtung 26, vorzugsweise ein Rezirkulationsgebläse, angeordnet.In addition, the anode supply points 20 of in 1 shown fuel cell system a recirculation line 25 on which the anode exhaust path 22 with the anode supply path 21 combines. The recirculation of fuel is common to the mostly superstoichiometric fuel used in the fuel cell stack 10 due. In the recirculation line 25 is a recirculation conveyor 26 , preferably a recirculation blower, arranged.

Die Kathodenversorgung 30 des in 1 gezeigten Brennstoffzellensystems 100 umfasst einen Kathodenversorgungspfad 31, welcher den Kathodenräumen 13 des Brennstoffzellenstapels 10 ein sauerstoffhaltiges Kathodenbetriebsmittel zuführt, insbesondere Luft, die aus der Umgebung angesaugt wird. Die Kathodenversorgung 30 umfasst ferner einen Kathodenabgaspfad 32, welcher das Kathodenabgas (insbesondere die Abluft) aus den Kathodenräumen 13 des Brennstoffzellenstapels 10 abführt und dieses gegebenenfalls einer nicht dargestellten Abgasanlage zuführt.The cathode supply 30 of in 1 shown fuel cell system 100 includes a cathode supply path 31 which is the cathode spaces 13 of the fuel cell stack 10 supplies an oxygen-containing cathode resource, in particular air which is drawn in from the environment. The cathode supply 30 further includes a cathode exhaust path 32 , which the cathode exhaust gas (in particular the exhaust air) from the cathode compartments 13 of the fuel cell stack 10 dissipates and optionally this feeds an exhaust system, not shown.

Zur Förderung und Verdichtung des Kathodenbetriebsmittels ist in dem Kathodenversorgungspfad 31 ein Verdichter 33 angeordnet. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Verdichter 33 als ein hauptsächlich elektromotorisch angetriebener Verdichter 33 ausgestaltet, dessen Antrieb über einen mit einer entsprechenden Leistungselektronik 35 ausgestatteten Elektromotor 34 erfolgt. Zusätzlich kann der Antrieb des Verdichters 33 über eine Turbine 36 erfolgen, die von dem Kathodenabgas angetrieben wird und über eine Welle mit dem Verdichter verbunden ist. Das in 1 gezeigte Brennstoffzellensystem 100 weist ferner einen stromaufwärts des Verdichters 33 in der Kathodenversorgungsleitung 31 angeordneten Ladeluftkühler 39 zum Abkühlen des zuvor verdichtetem Kathodenbetriebsmittels auf.For conveying and compressing the cathode operating means is in the cathode supply path 31 a compressor 33 arranged. In the illustrated embodiment, the compressor 33 as a mainly electric motor driven compressor 33 designed, the drive via a with a corresponding power electronics 35 equipped electric motor 34 he follows. In addition, the drive of the compressor 33 over a turbine 36 take place, which is driven by the cathode exhaust gas and is connected via a shaft to the compressor. This in 1 shown fuel cell system 100 further includes an upstream of the compressor 33 in the cathode supply line 31 arranged intercooler 39 for cooling the previously densified cathode resource.

Das in 1 gezeigte Brennstoffzellensystem 100 weist ferner ein stromaufwärts des Ladeluftkühlers 39 in der Kathodenversorgungsleitung 31 angeordnetes Befeuchtermodul 40 auf. Das Befeuchtermodul 40 ist einerseits so in dem Kathodenversorgungspfad 31 angeordnet, dass es von dem Kathodenbetriebsgas durchströmbar ist. Andererseits ist es so in dem Kathodenabgaspfad 32 angeordnet, dass es von dem Kathodenabgas durchströmbar ist. Ein Befeuchter 40 weist zumindest eine wasserdampfpermeable Befeuchtermembran 43 auf, die entweder flächig oder in Form von Hohlfasern ausgebildet ist. Dabei wird eine Seite der zumindest einen Membran 43 von dem vergleichsweise trockenen Kathodenbetriebsgas (Luft) überströmt und die andere Seite von dem vergleichsweise feuchten Kathodenabgas (Abgas). Getrieben durch den höheren Partialdruck an Wasserdampf in dem Kathodenabgas kommt es zu einem Übertritt von Wasserdampf über die Membran 43 in das Kathodenbetriebsgas, das auf diese Weise befeuchtet wird.This in 1 shown fuel cell system 100 also has an upstream of the intercooler 39 in the cathode supply line 31 arranged humidifier module 40 on. The humidifier module 40 on the one hand is in the cathode supply path 31 arranged so that it can be flowed through by the cathode operating gas. On the other hand, it is so in the cathode exhaust path 32 arranged so that it can be flowed through by the cathode exhaust gas. A humidifier 40 has at least one water vapor permeable humidifier membrane 43 on, which is formed either flat or in the form of hollow fibers. In this case, one side of the at least one membrane 43 overflowed by the comparatively dry cathode operating gas (air) and the other side of the comparatively humid cathode exhaust gas (exhaust gas). Driven by the higher partial pressure of water vapor in the cathode exhaust gas, there is a transfer of water vapor across the membrane 43 into the cathode working gas which is so moistened.

Das Brennstoffzellensystem 100 weist ferner einen die Kathodenversorgungsleitung 31 stromaufwärts und stromabwärts des Befeuchters 40 miteinander verbindenden Befeuchterbypass 41 mit einem darin angeordneten Bypassstellmittel 42 auf. Anhand des Öffnungsgrads des Bypassstellmittels 42 kann die Menge des den Befeuchter 40 umgehenden Kathodenbetriebsmittels und somit die relative Feuchtigkeit beziehungsweise der Feuchtegehalt des Kathodenbetriebsmittels am Eintritt des Brennstoffzellenstapels 10 eingestellt werden.The fuel cell system 100 also has a cathode supply line 31 upstream and downstream of the humidifier 40 interconnecting humidifier bypass 41 with a bypassing means disposed therein 42 on. Based the degree of opening of the bypass actuator 42 can the amount of the humidifier 40 immediate cathode operating means and thus the relative humidity or the moisture content of the cathode operating means at the inlet of the fuel cell stack 10 be set.

Die Kathodenversorgung 30 weist ferner eine Wastegate-Leitung 37 auf, welche die Kathodenversorgungsleitung 31 mit der Kathodenabgasleitung 32 verbindet. Ein in der Wastegate-Leitung 37 angeordnetes Wastegate-Stellmittel 38 dient der Steuerung der Menge des den Brennstoffzellenstapel 10 umgehenden Kathodenbetriebsmittels.The cathode supply 30 also has a wastegate line 37 on which the cathode supply line 31 with the cathode exhaust gas line 32 combines. One in the wastegate pipe 37 arranged wastegate actuator 38 serves to control the amount of the fuel cell stack 10 immediate cathode resource.

Verschiedene weitere Einzelheiten der Anoden- und Kathodenversorgung 20, 30 sind in 1 aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht gezeigt. So kann in dem Anoden- und/oder Kathodenabgaspfad 22, 32 ein Wasserabscheider verbaut sein, um das aus der Brennstoffzellenreaktion entstehende Produktwasser abzuleiten. Schließlich kann die Anodenabgasleitung 22 in die Kathodenabgasleitung 32 münden, sodass das Anodenabgas und das Kathodenabgas über eine gemeinsame Abgasanlage abgeführt werden.Various other details of the anode and cathode supply 20 . 30 are in 1 not shown for reasons of clarity. Thus, in the anode and / or cathode exhaust path 22 . 32 a water separator may be installed to dissipate the product water resulting from the fuel cell reaction. Finally, the anode exhaust gas line 22 into the cathode exhaust gas line 32 lead, so that the anode exhaust gas and the cathode exhaust gas are discharged via a common exhaust system.

Die 2 und 3 zeigen schematische Darstellungen von Systemen 60 zum Ermitteln einer Membranfeuchte gemäß einem ersten beziehungsweise einem zweiten Ausführungsbeispiel. Diese Systeme 60 können an verschiedenen Stellen in das in 1 dargestellte Brennstoffzellensystem 100 integriert sein. In 1 sind mögliche Einbaupositionen der erfindungsgemäßen Systeme durch das Bezugszeichen 60 markiert.The 2 and 3 show schematic representations of systems 60 for determining a membrane moisture according to a first or a second embodiment. These systems 60 can be found in various places in the 1 illustrated fuel cell system 100 be integrated. In 1 are possible installation positions of the systems according to the invention by the reference numeral 60 marked.

Die in den 2 und 3 gezeigten schematischen Darstellungen eines erfindungsgemäßen Systems 60 zum Ermitteln einer Membranfeuchte weisen eine quellfähige Membran auf, wobei es sich in Abhängigkeit der Einbaulage um die Polymerelektrolytmembran 14 einer Brennstoffzelle 11 oder um die Befeuchtermembran 43 des Befeuchters 40 handelt. Ist das erfindungsgemäße System 60 in den Brennstoffzellenstapel 10 integriert, handelt es sich um die Polymerelektrolytmembran 14 einer Brennstoffzelle 11. Ist das erfindungsgemäße System 60 in den Befeuchter 40 integriert, handelt es sich um dessen Befeuchtermembran 40. Ist das erfindungsgemäße System 60 anderweitig in die Kathodenversorgung 30 integriert, kann es sich um eine der Polymerelektrolytmembran 14 einer Brennstoffzelle 11 ähnliche oder um eine der Befeuchtermembran 43 des Befeuchters 40 ähnliche Membran handeln.The in the 2 and 3 shown schematic representations of a system according to the invention 60 to determine a membrane moisture have a swellable membrane, which is the polymer electrolyte membrane depending on the installation position 14 a fuel cell 11 or around the humidifier membrane 43 of the humidifier 40 is. Is the system according to the invention 60 in the fuel cell stack 10 integrated, it is the polymer electrolyte membrane 14 a fuel cell 11 , Is the system according to the invention 60 in the humidifier 40 integrated, it is the humidifier membrane 40 , Is the system according to the invention 60 otherwise in the cathode supply 30 integrated, it may be one of the polymer electrolyte membrane 14 a fuel cell 11 similar or to one of the humidifier membrane 43 of the humidifier 40 act similar membrane.

Die in den 2 und 3 gezeigten schematischen Darstellungen eines erfindungsgemäßen Systems 60 zum Ermitteln einer Membranfeuchte weisen ferner einen Kraftsensor 61 auf, der über einer ersten Hauptoberfläche 65 der Membran 14, 43 angeordnet ist. Insbesondere ist der Kraftsensor 61 auf dieser ersten Hauptoberfläche 65 angeordnet und liegt somit an dieser an. The in the 2 and 3 shown schematic representations of a system according to the invention 60 for determining a membrane moisture also have a force sensor 61 up, over a first main surface 65 the membrane 14 . 43 is arranged. In particular, the force sensor 61 on this first main surface 65 arranged and is thus on this.

Der Kraftsensor 61 und die Membran 14, 43 sind mittels eines ersten Spannelements 62 und eines zweiten Spannelements 63 miteinander verbunden. Dabei ist der Kraftsensor 61 zwischen dem ersten Spannelement 62 und der ersten Hauptoberfläche der Membran 14, 43 angeordnet. Das zweite Spannelementelement ist über der zweiten Hauptoberfläche 66 der Membran 14, 43 angeordnet. Insbesondere ist das zweite Spannelement 63 auf der zweiten Hauptoberfläche 66 der Membran 14, 43 angeordnet und liegt an dieser an. Der Abstand zwischen dem ersten Spannelement 62 und dem zweiten Spannelement 63 entspricht dabei im Wesentlichen der Ausdehnung des Kraftsensors 61 und der trockenen Membran 14, 43 in einer Normalenrichtung der ersten Hauptoberfläche 65 oder der zweiten Hauptoberfläche 66. Das erste Spannelement 62 verhindert somit zumindest im Wesentlichen eine Translation des Kraftsensors 61 in Normalenrichtung der ersten Hauptoberfläche 65 aufgrund einer Verformung der Membran 14, 43. Das zweite Spannelement 63 verhindert zumindest im Wesentlichen eine Verformung der Membran 14, 43 in die Normalenrichtung der zweiten Hauptoberfläche 66.The force sensor 61 and the membrane 14 . 43 are by means of a first clamping element 62 and a second tensioning element 63 connected with each other. Here is the force sensor 61 between the first clamping element 62 and the first major surface of the membrane 14 . 43 arranged. The second tension member is above the second major surface 66 the membrane 14 . 43 arranged. In particular, the second clamping element 63 on the second main surface 66 the membrane 14 . 43 arranged and is attached to this. The distance between the first clamping element 62 and the second tensioning element 63 This corresponds essentially to the expansion of the force sensor 61 and the dry membrane 14 . 43 in a normal direction of the first main surface 65 or the second major surface 66 , The first clamping element 62 thus prevents at least substantially a translation of the force sensor 61 in the normal direction of the first main surface 65 due to deformation of the membrane 14 . 43 , The second clamping element 63 at least substantially prevents deformation of the membrane 14 . 43 in the normal direction of the second main surface 66 ,

Das in der 3 gezeigte Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Systems 60 zum Ermitteln einer Membranfeuchte unterscheidet sich von dem in der 2 gezeigten System 60 dadurch, dass ein Abstandshalter 64 mit dem ersten Spannelement 62 und mit dem zweiten Spannelement 63 verbunden ist. Bevorzugt ist der Abstandshalter 64 einteilig mit dem ersten Spannelement 62 und dem zweiten Spannelement 63 ausgebildet. Somit weisen das erste Spannelement 62 und das zweite Spannelement 63 in Normalenrichtung der ersten oder zweiten Hauptoberfläche 65, 66 einen festen Abstand auf. Das in 3 gezeigte Ausführungsbeispiel ist insbesondere zur Verwendung an freien Membranabschnitten geeignet. Es kann beispielsweise auf bestehende Membrane 14, 43 des Brennstoffzellensystems 100 aufgesetzt werden. Alternativ kann es in Form eines eigenständigen Messsystems mit einer zu einer bereits in dem Brennstoffzellensystem 100 bestehenden Membran ähnlichen Membran 14, 43 zusätzlich in das Brennstoffzellensystem 100 eingebracht werden. Das in 2 gezeigte Ausführungsbeispiel ist hingegen insbesondere zur Verwendung in einem Brennstoffzellenstapel 10 geeignet, wobei das erste Spannelement 62 und das zweite Spannelement 63 durch Anpressflächen ausgebildet sind, die auf den Bipolarplatten 15 des Brennstoffzellenstapels 10 angeordnet sind.That in the 3 shown embodiment of the system according to the invention 60 to determine a membrane moisture differs from that in the 2 shown system 60 in that a spacer 64 with the first clamping element 62 and with the second clamping element 63 connected is. The spacer is preferred 64 in one piece with the first clamping element 62 and the second tensioning element 63 educated. Thus, the first clamping element 62 and the second tensioning element 63 in the normal direction of the first or second main surface 65 . 66 a fixed distance. This in 3 embodiment shown is particularly suitable for use on free membrane sections. It can be applied to existing membranes, for example 14 . 43 of the fuel cell system 100 be put on. Alternatively, it may take the form of an independent measurement system with one already in the fuel cell system 100 existing membrane-like membrane 14 . 43 additionally in the fuel cell system 100 be introduced. This in 2 In contrast, the embodiment shown is, in particular, for use in a fuel cell stack 10 suitable, wherein the first clamping element 62 and the second tensioning element 63 are formed by contact surfaces on the bipolar plates 15 of the fuel cell stack 10 are arranged.

Bezugszeichenliste LIST OF REFERENCE NUMBERS

100100
Brennstoffzellensystem The fuel cell system
1010
Brennstoffzellenstapelfuel cell stack
1111
Einzelzellesingle cell
1212
Anodenraumanode chamber
1313
Kathodenraumcathode space
1414
Membran-Elektroden-Anordnung (MEA)Membrane electrode assembly (MEA)
1515
Bipolarplatte (Separatorplatte, Flussfeldplatte) Bipolar plate (separator plate, flow field plate)
2020
Anodenversorgunganode supply
2121
AnodenversorgungspfadAnode supply path
2222
AnodenabgaspfadAnode exhaust gas path
2323
Brennstofftankfuel tank
2424
Dosierventilmetering valve
2525
BrennstoffrezirkulationsleitungBrennstoffrezirkulationsleitung
2626
Rezirkulationsfördereinrichtung recirculation conveyor
3030
Kathodenversorgungcathode supply
3131
KathodenversorgungspfadCathode supply path
3232
KathodenabgaspfadCathode exhaust path
3333
Verdichtercompressor
3434
Elektromotorelectric motor
3535
Leistungselektronikpower electronics
3636
Turbineturbine
3737
Wastegate-LeitungWaste gate line
3838
Wastegate-StellmittelWastegate actuator means
3939
LadeluftkühlerIntercooler
4040
Befeuchterhumidifier
4141
Befeuchterbypasshumidifier bypass
4242
BypassstellmittelBypass adjustment means
4343
Befeuchtermembran Befeuchtermembran
6060
System zum Ermitteln einer MembranfeuchteSystem for determining a membrane moisture
6161
Kraftsensorforce sensor
6262
erstes Spannelementfirst clamping element
6363
zweites Spannelementsecond clamping element
6464
Abstandshalterspacer
6565
erste Hauptoberflächefirst main surface
6666
zweite Hauptoberflächesecond main surface

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • DE 3911812 A1 [0011]DE 3911812 A1 [0011]
  • DE 102013021627 A1 [0012]DE 102013021627 A1 [0012]

Claims (10)

System (60) zum Ermitteln einer Membranfeuchte, aufweisend eine quellfähige Membran (14, 43) mit einer ersten Hauptoberfläche (65) und einer der ersten Hauptoberfläche (65) gegenüberliegenden zweiten Hauptoberfläche (66); einen über der ersten Hauptoberfläche (65) angeordneten Kraftsensor (61); und ein über dem Kraftsensor (61) angeordnetes erstes Spannelement (62) und ein über der zweiten Hauptoberfläche (66) angeordnetes zweites Spannelement (63); dadurch gekennzeichnet, dass das erste Spannelement (62) und das zweite Spannelement (63) dafür eingerichtet sind, die Membran (14, 43) und den Kraftsensor in den Normalenrichtungen der Hauptoberflächen (65, 66) einzuspannen.A system (60) for detecting a membrane moisture comprising a swellable membrane (14, 43) having a first major surface (65) and a second major surface (66) opposite the first major surface (65); a force sensor (61) disposed above the first main surface (65); and a first tension member (62) disposed above the force sensor (61) and a second tension member (63) disposed above the second main surface (66); characterized in that the first clamping element (62) and the second clamping element (63) are adapted to clamp the membrane (14, 43) and the force sensor in the normal directions of the main surfaces (65, 66). System (60) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Spannelement (62) und das zweite Spannelement (63) in einer Normalenrichtung der Hauptoberflächen (65, 66) zueinander einen Abstand aufweisen, welcher der Summe der Ausdehnungen der trockenen Membran (14, 43) und des Kraftsensors (61) in einer Normalenrichtung der Hauptoberflächen (65, 66) entspricht.System (60) after Claim 1 , characterized in that the first clamping element (62) and the second clamping element (63) in a normal direction of the main surfaces (65, 66) to each other at a distance which the sum of the dimensions of the dry membrane (14, 43) and the force sensor ( 61) in a normal direction of the main surfaces (65, 66). System (60) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Spannelement (62) und das zweite Spannelement (63) über einen Abstandshalter (64) miteinander verbunden sind und zueinander einen festen Abstand in einer Normalenrichtung der Hauptoberflächen (65, 66) aufweisen.System (60) after Claim 1 or 2 characterized in that the first tension member (62) and the second tension member (63) are interconnected via a spacer (64) and have a fixed distance to each other in a normal direction of the main surfaces (65, 66). System (60) nach einem der vorangehenden Ansprüche, ferner aufweisend eine über der ersten Hauptoberfläche (65) angeordnete erstes Plattenelement und ein über der zweiten Hauptoberfläche (66) angeordnete zweites Plattentelement, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Spannelement (62) als Teil des ersten Plattenelements ausgebildet ist und das zweite Spannelement (63) als Teil des zweiten Plattenelements ausgebildet ist.The system (60) of any one of the preceding claims, further comprising a first plate member disposed above the first major surface (65) and a second plate member disposed above the second major surface (66), characterized in that the first biasing member (62) is part of the first Plate element is formed and the second clamping element (63) is formed as part of the second plate member. System (60) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die quellfähige Membran (14, 43) in einer Richtung senkrecht zur Normalenrichtung der Hauptoberflächen über die Plattenelemente übersteht.System (60) after Claim 4 , characterized in that the swellable membrane (14, 43) projects beyond the plate elements in a direction perpendicular to the normal direction of the main surfaces. System (60) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran als eine sulfonierte PFTE Membran (14) oder als eine wasserdampfpermeable Befeuchtermembran (43) ausgebildet ist.System (60) according to one of the preceding claims, characterized in that the membrane is formed as a sulfonated PTFE membrane (14) or as a water vapor permeable humidifying membrane (43). System (60) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kraftsensor (61) als Piezosensor, Silizium-Mikro-Kraftsensor oder Mikrotaster ausgebildet ist.System (60) according to any one of the preceding claims, characterized in that the force sensor (61) is designed as a piezoelectric sensor, silicon micro-force sensor or micro-probe. Brennstoffzellensystem (100), aufweisend ein System nach einem der Ansprüche 1 bis 7.A fuel cell system (100) comprising a system according to any one of Claims 1 to 7 , Verfahren zum Ermitteln des Feuchtegehalts einer quellfähigen Membran, aufweisend die Verfahrensschritte: Einspannen eines Kraftsensors (61) und einer quellfähigen Membran (14, 43) zwischen einem ersten Spannelement (62) und einem zweiten Spannelement (63); Erfassen einer von der quellfähigen Membran (14, 43) auf den Kraftsensor (61) ausgeübten Druckkraft; und Ermitteln eines Feuchtegehalts der quellfähigen Membran (14,43) anhand der erfassten Druckkraft.Method for determining the moisture content of a swellable membrane, comprising the method steps: Clamping a force sensor (61) and a swellable membrane (14, 43) between a first clamping element (62) and a second clamping element (63); Detecting a compressive force exerted on the force sensor (61) by the swellable membrane (14, 43); and Determining a moisture content of the swellable membrane (14,43) based on the detected compressive force. Verfahren zum Ermitteln der relativen Feuchtigkeit eines Betriebsmittels eines Brennstoffzellensystems (100), aufweisend die Verfahrensschritte: Anordnen eines Systems (60) nach einem der Ansprüche 1 bis 7 in dem Brennstoffzellensystem (100); Erfassen einer von der quellfähigen Membran (14, 43) auf den Kraftsensor (61) ausgeübten Druckkraft; Ermitteln eines Feuchtegehalts der quellfähigen Membran (14, 43) anhand der erfassten Druckkraft; und Ermitteln einer relativen Feuchtigkeit eines die Membran (14, 43) umgebenden Betriebsmittels anhand des ermittelten Feuchtegehalts der Membran (14, 43).A method for determining the relative humidity of a resource of a fuel cell system (100), comprising the steps of: arranging a system (60) according to any one of Claims 1 to 7 in the fuel cell system (100); Detecting a compressive force exerted on the force sensor (61) by the swellable membrane (14, 43); Determining a moisture content of the swellable membrane (14, 43) based on the detected pressure force; and determining a relative humidity of an operating medium surrounding the membrane (14, 43) on the basis of the determined moisture content of the membrane (14, 43).
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